From quantum metrology to applications

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kemppinen, Antti, Prof., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
dc.contributor.author Mykkänen, Emma
dc.date.accessioned 2018-11-21T10:03:19Z
dc.date.available 2018-11-21T10:03:19Z
dc.date.issued 2018
dc.identifier.isbn 978-952-60-8276-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-8275-2 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/34801
dc.description.abstract It is important that measurements produce predictable and reproducible results irrespective of time and location. This is enabled by the International System of Units (SI), which is realized through primary standards: devices that can either measure or produce a known value of a quantity without calibration against any other standard for quantity of the same kind. This thesis explores quantum standards for the ampere and the kelvin, and devices that are byproducts of this research or enablers for the devices spawning from it. Coulomb blockade thermometer (CBT) was investigated as a possible realization of the kelvin at low temperatures. We constructed a setup, where temperature could be determined through Boltzmann constant and traceable voltage measurements. The CBT was also compared to the PLTS-2000 temperature scale and to two other Boltzmann constant based primary thermometers. Two different quantum phenomena were studied in the context of the ampere: single-electron tunneling in superconductor -- insulator -- normal metal (NIS) junctions and quantum phase slips (QPS) in superconducting nanowires. We observed QPS in novel material: molybdenium silicide (MoSi). It has been theoretically predicted that high normal state resistivity would be beneficial for the QPS based current standard. This resistivity can be achieved in MoSi. Since the novel standards for the ampere would produce relatively small currents (up to nanoampere), low frequency noise can increase the measurement times from hours to weeks. On the other hand, high frequency noise can initiate unwanted tunnelings and degrade the accuracy of devices. The low frequency noise problems were tackled by proper cabling and two filters were characterized in the high frequency range by NIS based detectors. Finally we utilized the understanding of NIS systems, based on research aiming at realization of the quantum current standard, in two other applications: noise detectors and coolers. We demonstrated NIS-based cooling of a mm-scale object by silicon-aluminium junctions. The cooling was enabled by phonon transmission bottleneck. We also analyzed by simulations that electric cooling from 1.5 K to 100 mK is a realistic goal. en
dc.description.abstract On tärkeää, että mittaustulokset eivät riipu paikasta tai ajasta. Tämä varmistetaan käyttämällä kansainvälistä mittayksikköjärjestelmää (SI), joka on toteuteuttu primääristen mittanormaalien avulla. Nämä normaalit ovat laitteita, joilla voi mitata tai tuottaa mittayksikköä vastaavan suureen arvon, ja joita ei tarvitse kalibroita toista saman yksikön toteutusta vastaan. Tässä väitöskirjassa tutkittiin mahdollisuutta luoda kvanttimittanormaalit kelvinille ja ampeerille. Lisäksi kehitettiin laitteita, jotka liittyvät tähän tutkimukseen tai ovat sen mahdollistajia. Coulombin saartoon perustuvaa lämpömittaria tutkittiin mahdollisena primäärisenä mittanormaalina kelvinille: Sille rakennettiin mittausympäristö, jossa lämpötila voitiin määrittää Boltzmannin vakion ja jäljitettävästi mitatun jännitteen avulla. Lisäksi sitä verrattiin PLTS-2000 lämpötila-asteikkoon sekä kahteen muuhun Boltzmannin vakioon perustuvaan primääriseen lämpömittariin. Ampeerin kvanttimittanormaalitutkimukseen sovellettiin kahta eri ilmiötä: elektronien tunneloitumista suprajohde - eriste - normaalimetalli (NIS) -liitoksissa ja kvanttivaihehyppyjä suprajohtavissa nanolangoissa. Väitöskirjan aikana jälkimmäisiä havaittiin uudessa materiaalissa, molybdeenisilisidissä. Teoreettisesti on todistettu, että suprajohteen korkea normaalitilan resistiivisyys on edullista kvanttivaihehyppyihin perustuvien normaalien toteutukselle. Tällainen resistiivisyys voidaan saavuttaa kyseisessä materiaalissa. Virran kvanttimittanormaalin aikaansaamat signaalit ovat pieniä (suurimmillaan nanoampeereja) ja tästä syystä ylimääräinen kohina voi kasvattaa tarkkoihin mittauksiin tarvittavaa kestoa merkittävästi. Toisaalta taas, jos kohinafotonien energia on suuri, ne voivat rikkoa Cooperin pareja tai aiheuttaa epätoivottuja tunneloitumisia, mikä heikentää laitteiden tarkkuutta. Ensimmäinen näistä ongelmista ratkaistiin mittauskytkennän johdotusta parantamalla ja jälkimmäistä varten tutkittiin kahta kohinasuodatinta. NIS-liitoksiin perustuvien laitteiden, mm. kvanttivirtanormaalien, tutkimuksessa saavutettua tietämystä hyödynnettiin kahdessa sovelluksessa: kohina-antureissa ja jäähdyttimissä. Jälkimmäisiä käytettiin jäähdyttämään millimetriskaalan piisiruja. Niissä jäähdytys perustui fononien liikkuvuuden rajoittamiseen toisin kuin aiemmin tutkituissa NIS-jäähdyttimissä. Samassa yhteydessä todettiin simulointeja apuna käyttäen, että jäähdytys 1,5 K:stä aina sataan millikelviniin asti on saavutettavissa oleva päämäärä. fi
dc.format.extent 71 + app. 87
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 216/2018
dc.relation.haspart [Publication 1]: E. Mykkänen, J. S. Lehtinen, A. Kemppinen, C. Krause, D. Drung, J. Nissilä, A.J. Manninen. Reducing current noise in cryogenic experiments by vacuum-insulated cables. Rev. Sci. Instrum., 87, 105111 (7 pages) , 2016. DOI: 10.1063/1.4963904
dc.relation.haspart [Publication 2]: O. Hahtela, E. Mykkänen, A. Kemppinen, M. Meschke, M. Prunnila, D. Gunnarsson, L. Roschier, J. Penttilä, J. Pekola. Traceable Coulomb blockade thermometry. Metrologia, 54, 69 (8 pages), 2017. DOI: 10.1088/1681-7575/aa4f84
dc.relation.haspart [Publication 3]: J. Engert, A. Kirste, A. Shibahara, A. Casey, L.V. Levitin, J. Saunders, O. Hahtela, A. Kemppinen, E. Mykkänen, M. Prunnila, D. Gunnarsson, L. Roschier, M. Meschke, J.P. Pekola. New Evaluation of T - T-2000 from 0.02K to 1K by Independent Thermodynamic Methods. Int. J. Thermophys., 37, 125 (11 pages), 2016. DOI: 10.1007/s10765-016-2123-4
dc.relation.haspart [Publication 4]: J.S. Lehtinen, E. Mykkänen, A. Kemppinen, S.V. Lotkhov, D. Golubev, A.J. Manninen. Characterizing superconducting filters using residual microwave background. Supercond. Sci. Technol., 30, 055006 (10 pages), 2017. DOI: 10.1088/1361-6668/aa63bc
dc.relation.haspart [Publication 5]: E. Mykkänen, J.S. Lehtinen, A. Shchepetov, A. Timofeev, L. Grönberg, A. Kemppinen, A.J. Manninen, M. Prunnila. Efficient thermionic refrigeration and phonon isolation by a semiconductor-superconductor junction. Submitted 2018.
dc.relation.haspart [Publication 6]: J.S. Lehtinen, A. Kemppinen, E. Mykkänen, M. Prunnila, A.J. Manninen. Superconducting MoSi nanowires. Supercond. Sci. Technol., 31, 015002 (7 pages), 2018. DOI: 10.1088/1361-6668/aa954b
dc.subject.other Physics en
dc.title From quantum metrology to applications en
dc.title Kvanttimittatekniikasta sovelluksiin fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword quantum physics en
dc.subject.keyword metrology en
dc.subject.keyword tunnel junctions en
dc.subject.keyword quantum standards en
dc.subject.keyword kelvin en
dc.subject.keyword ampere en
dc.subject.keyword electric cooling en
dc.subject.keyword noise filtering and detection en
dc.subject.keyword kvanttifysiikka fi
dc.subject.keyword mittatekniikka fi
dc.subject.keyword tunneliliitokset fi
dc.subject.keyword kvanttimittanormaalit fi
dc.subject.keyword kelvin fi
dc.subject.keyword ampeeri fi
dc.subject.keyword jäähdytys fi
dc.subject.keyword kohinasuodatus- ja detektointi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-8276-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Pekola, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Tzalenchuk, Alexander, Prof., National Physical Laboratory/Royal Holloway University of London, UK
dc.rev Maasilta, Ilkka, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.rev Hohls, Frank, Dr., Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Germany
dc.date.defence 2018-11-30
local.aalto.acrisexportstatus checked 2019-02-25_1322


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account